厦门大学董全峰教授AEM：锂金属负极界面设计 ─ “离子墙”保护层构筑

第一作者：谭艳艳，孙宗强

通讯作者：郑明森*，董全峰*

单位：厦门大学

直接使用金属锂作电池负极可构建高比能电化学储能体系，因而锂负极已成为这一领域当前研究的热点。但金属锂化学性质活泼，在电解液中容易发生副反应，且有枝晶、死锂、安全隐患等诸多问题。尤其是高性能锂-氧气电池中使用高DN值电解液溶剂的条件下，锂金属负极表面腐蚀问题更为严重，严重制约着电池的性能。因此，在锂表面构筑高效、强韧、多功能保护层至关重要。

近日，厦门大学董全峰教授团队通过功能型分子与锂金属之间多步化学反应，成功在锂金属表面构筑一种由纳米晶块和无定型基质镶嵌组成 “离子墙”（ion wall，IW）保护层。其中支撑墙体结构的纳米晶块主要成分为LiF，化学性质稳定、电子绝缘、具有高机械强度和高的界面能；而填充在纳米晶块间隙的无定型基质主要含Li₂S、Li₃N和部分有机物，具有快速传递锂离子的特性。不同于传统锂金属负极表面自发形成的SEI层，离子墙特殊的结构和组成使其具有高化学稳定性、高电子阻隔能力和快速导离子能力，不仅能快速传递锂离子，满足电化学反应的需求，同时能显著减少高DN值电解液和氧活性物种与锂金属之间的副反应、抑制锂枝晶的产生，从而大幅度提高了锂金属负极在高DN值电解液中的界面稳定性。

因此，将具有“离子墙”保护的锂金属负极应用于高DN值电解液体系的锂-氧气电池中时，可以显著提升锂-氧气电池的循环寿命。就金属负极而言，该“离子墙”保护层具有一般性意义，这项工作为高活性电解液体系中锂金属负极及其它碱金属负极的保护提供了新的设计思路。

通过功能型分子与锂金属之间多步化学反应，作者成功在锂金属表面构筑一种由纳米晶块和无定型基质镶嵌组成的强韧“离子墙”（ion wall，IW）保护层，并对离子墙的结构和组分进行分析。离子墙中纳米晶块主要成分为LiF，填充在纳米晶块间隙的无定型基质主要含Li₂S、Li₃N和部分有机物，具有类墙体的结构。

作者先考察了离子墙的致密性、化学稳定性以及电子与离子传输能力。研究发现离子墙化学性质稳定且致密，可以阻隔含氧高DN值电解液与锂金属之间的化学反应，同时，离子墙不仅电子绝缘、起到阻挡电子的作用，还能快速导锂离子，满足电化学反应需求。

紧接着，作者研究了离子墙对锂沉积/溶出行为的影响。研究发现，得益其特殊的结构和组成，离子墙可以有效抑制电化学反应过程中电解液在锂金属电极表面的还原分解和锂枝晶的产生。

在离子墙的保护下，高DN值电解液（1M LiTFSI/DMSO）体系对称电池的循环稳定性和倍率性能显著提升。在电流密度为0.1 mA cm⁻²，容量为0.1 mAh cm⁻²的条件下，以离子墙保护的锂金属组装的对称电池能稳定循环超过1300小时，且过电位低于25 mV。

最后，作者将离子墙保护的锂金属负极应用在锂-氧气电池中。研究结果表明，由于离子墙阻隔了高活性电解液与锂金属负极之间的副反应，减少了电解液与活性锂的损耗，锂-氧气电池的循环稳定性显著提升。当正极材料为Ru-rGO，在电流密度为500 mA g⁻¹，限制容量为500 mAh g⁻¹时，其可以将DMSO电解液体系锂-氧气电池的循环寿命由150圈提升至400圈。

Constructing an Ion-Wall to Achieve Excellent Lithium Anodes in Li-O2 Batteries with High DN Electrolytes

董全峰，厦门大学特聘教授，博士生导师，中国电池工业协会常务理事。长期从事电化学储能系统及关键储能材料研究，主持重大项目、国家“973”计划课题、国家“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目、省重点项目、厦门市重大专项等项目的研究。在国际重要期刊包括Nature Commun.、Chem、JACS、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.等上发表SCI收录论文200余篇，获得国家发明专利30余件。曾获全国信息产业科技创新先进个人、全国电池行业首批技术专家、福建省科技进步奖等、厦门市科技进步奖等。

课题组主页https://batterylab.xmu.edu.cn/